一种用于复杂数字控制系统的预测控制方法

摘要

本发明公开了一种用于复杂数字控制系统的预测控制方法。该预测控制方法首先根据所述复杂数字控制系统的动态数学模型及系统参数，预先迭代计算得到所有运行状态的状态切换判定数组；然后结合爬坡搜寻法和线性插值法，快速预测系统运行状态切换的参数临界阈值及产生相应控制信号的精确时间点，从而使所述复杂数字控制系统的被控制量严格限制在预设阈值范围内。与现有技术相比，本发明既保持了基于数学模型在线迭代计算的预测方法的精确性，又兼有了基于插值预测法的快速计算特性，适用于存在多个动态变化系统参数且在线迭代计算时间较长的复杂数字控制系统。

主权项

一种用于复杂数字控制系统的预测控制方法，其特征在于：所述用于复杂数字控制系统的预测控制方法包括：A.构建所述复杂数字控制系统的所有运行状态的状态切换判定数组，其中每一个运行状态的状态切换判定数组通过以下步骤（1）‑（7）构建：（1）将控制量和被控制量的连续数值变化范围分别均分为N‑1等份，得到相应的控制量数据数组X=[x1 x2 ... xN]和被控制量数据数组Y=[y1 y2 ... yN]，其中N>1； （2）将步骤（1）中得到的x1和y1作为零时刻的控制量和被控制量初始值输入至所述复杂数字控制系统的动态数学模型中，通过迭代计算得到被控制量等于其理想阈值所需的时间长度Tc； （3）将步骤（2）中得到的Tc减去系统总延时时间长度Td，得到与x1和y1相对应的一个判定阈值z11所在的时刻Tc‑Td；将步骤（2）中得到的Tc减去系统总延时时间长度Td和系统采样延时时间长度Ts，得到与x1和y1相对应的另一个判定阈值s11所在的时刻Tc‑Td‑Ts；（4）将步骤（1）中得到的x1和y1作为零时刻的控制量和被控制量初始值再次输入至所述复杂数字控制系统的动态数学模型中，通过迭代计算得到Tc‑Td时刻的判定阈值z11和Tc‑Td‑Ts时刻的判定阈值s11；（5）将步骤（1）中得到的除y1外的Y中其余元素依次替换y1，重复上述步骤（2）‑（4），得到两个判定阈值数组Z1=[z11 z12 ... z1N]和S1=[s11 s12 ... s1N]；（6）将步骤（1）中得到的除x1外X中其余元素依次替换x1，重复上述步骤（2）‑（5），得到两个N维判定阈值数组Z=[z11 z12 ... z1N; z21 z22 ... z2N;...; zN1 zN2 ... zNN]和S=[s11 s12 ... s1N; s21 s22 ... s2N;...; sN1 sN2 ... sNN]；（7）将步骤（1）中得到的控制量数据数组X和被控制量数据数组Y，步骤（6）中得到的判定阈值数组Z和S，组合成为该运行状态的状态切换判定数组； B.所述复杂数字控制系统在当前运行状态的运行，及由当前运行状态向目标运行状态的切换：（1）确定控制量和被控制量的实际初始值：当所述复杂数字控制系统输出由上一个运行状态向当前运行状态切换的控制信号后，首先实时采样得到Td‑2Ts和Td‑Ts延时之间的控制量运行数据a1及被控制量运行数据b1、Td‑Ts和Td延时之间的控制量运行数据a2及被控制量运行数据b2；然后利用线性插值外推法预测Td延时处控制量的实际初始值a及被控制量的实际初始值b，计算公式为：a=a2+(a2‑a1)T0/Ts，b=b2+(b2‑b1)T0/Ts，其中T0=Td‑pTs，p为Td/Ts取整数而得，Ts为系统采样延时时间长度，Td为系统总延时时间长度；（2）确定控制量和被控制量的初始搜寻位置：将上一个运行状态的控制量实际初始值、被控制量实际初始值、和系统在上一个运行状态中的运行时间，输入至复杂数字控制系统的稳态或理想数学模型，计算得到Td延时处的控制量理想值c和被控制量理想值d；若c为当前运行状态的控制量数据数组X中的元素，则取c为控制量的初始搜寻位置，若c介于当前运行状态的X中的两个元素之间，则任取一个相邻的元素作为控制量的初始搜寻位置；若d为当前运行状态的被控制量数据数组Y中的元素，则取d为被控制量的初始搜寻位置，若d介于当前运行状态的Y中的两个元素之间，则任取其中一个相邻的元素作为被控制量的初始搜寻位置；（3）确定被控制量的实际判定阈值：采用爬坡搜寻法，在步骤A中构建的 当前运行状态的状态切换判定数组中进行搜寻；以上述步骤（2）中确定的控制量和被控制量的初始搜寻位置开始，在控制量数据数组X和被控制量数据数组Y中往上或往下搜寻上述步骤（1）中确定的控制量实际初始值a和被控制量实际初始值b；若a、b均为X和Y中的元素，即a=xi、b=yj，则被控制量的两个实际判定阈值zz、ss分别等于与xi、yj相对应的Z、S中的元素，即zz=zij、ss=sij，其中，1≤i